天然生物材料在长期进化过程中演化而成的精巧且复杂的微观结构为人造材料结构设计提供了灵感源泉，并衍生了一个重要的科学研究领域——仿生材料学，即通过认识与理解典型天然生物材料的结构特征以及性能优化机制来提炼生物材料共性的性能优化策略，并以此为指导在人造材料中构筑类似的微观结构来获得提升力学与功能性能。然而，由于金属材料的微观结构通常形成于材料成型过程而缺乏结构设计的窗口，因此在金属复合材料中构筑类似天然生物材料的复杂层级结构尚存在技术难点。
针对上述问题，中国科学院金属研究所张哲峰研究员团队重点介绍了一种能够在金属复合材料中实现高效仿生结构构筑的成型工艺——熔体浸渗技术。通过在高于金属熔点的温度下将金属熔体填充至预制的增强体多孔骨架中，熔体浸渗技术可以使复合材料中的组元在三维空间中保持各自连续且相互穿插的状态，即形成微观三维互穿结构，如下图1所示。相关研究成果以Bioinspired interpenetrating-phase metal composites为题发表于期刊Progress in Materials Science上。
图1 使用熔体浸渗技术制备仿生金属复合材料的工艺路线和条件。
三维互穿结构已被证明对于组合组元性能优势、抑制损伤演化以及抵抗裂纹传播能够起到重要作用，因此具有实现优异性能的巨大潜力。同时，通过选用不同的多孔骨架成型工艺（比如粉末冶金、冰模板法、增材制造、纤维编织、液态金属去合金化等）以及调整成型工艺的相关参数，可以实现增强相组元在三维空间中的特定配置，从而完成复杂仿生构型的构筑。以增材制造技术为例，该技术通过与计算机辅助设计相结合，能够实现自由设计与精准控制。通过设计不同的打印路径，基于该技术可以形成多种仿生骨架，在后续的金属基体填充后，即可进一步形成各种仿生结构，如下图2所示。
图2 基于增材制造与熔体浸渗技术制备的仿生Mg-Ti复合材料的结构与生物原型的比较。
本文首先阐述了使用熔体浸渗进行金属复合材料成型的先决条件，然后介绍了利用熔体浸渗制备仿生金属复合材料的技术路线，重点介绍了构建增强体多孔骨架的常见方法，包括粉末冶金、冰模板、增材制造、纤维编织和液态金属去合金化。同时，通过结合最新进展，本文详细探讨了基于上述不同骨架成型技术结合熔体浸渗工艺制备得到的仿生金属复合材料的形成、结构、力学和功能性能，其中特别关注了仿生结构对复合材料性能的作用机制（即仿生复合材料的结构-性能关系），如下图3-7所示。
图3 基于粉末冶金与熔体浸渗技术制备的仿生Mg-Ti3AlC2复合材料的结构与力学性能
图4 基于冰模板与熔体浸渗技术制备的仿生铝基复合材料的微观结构与力学性能
图5 基于增材制造与熔体浸渗技术制备的Mg-NiTi复合材料的结构与力学性能
图6 基于纤维编织与熔体浸渗技术制备的类鱼鳞Mg-Ti复合材料的结构与力学性能
图7 基于液态金属去合金化制备的多孔骨架及互穿相复合材料的结构与力学性能
在此基础上，本文进一步讨论了利用金属熔体浸渗多孔骨架来制备仿生金属复合材料的现存挑战，并展望了该研究领域可行的发展方向与潜在的工程应用前景。如图8所示，未来可通过对基于已知天然生物材料和现有仿生材料建立的数据库进行人工智能（AI）辅助分析，来获得各类仿生构型的结构-性能关系。以此关系为指导，可以进行仿生结构的预测、设计与优化。而优化后的仿生结构设计可以利用新型加工方法构筑于人造材料中，进而获得新型仿生材料和优异性能。同时，仿生结构设计还可以应用于现有工程材料中来提高该类材料性能，从而为满足工程应用要求提供新思路。通过利用熔体浸渗技术将仿生设计应用于金属基复合材料中，有望在材料性能方面取得突破，从而提高金属复合材料的工程应用潜力。
图8 仿生材料的未来发展趋势和前景
中国科学院金属研究所博士研究生刘艳艳为论文第一作者，中国科学院金属研究所刘增乾研究员和张哲峰研究员，以及加州大学伯克利分校R.O. Ritchie教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101281
审核：力学家
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